pérdida de trayectoria

La pérdida de trayectoria , o atenuación de trayectoria , es la reducción de la densidad de potencia ( atenuación ) de una onda electromagnética a medida que se propaga por el espacio. ^{[ 1 ]} La pérdida de trayectoria es un componente importante en el análisis y diseño del presupuesto de enlace de un sistema de telecomunicaciones.

Este término se usa comúnmente en comunicaciones inalámbricas y propagación de señales . La pérdida de trayectoria puede deberse a diversos efectos, como la pérdida en el espacio libre , la refracción , la difracción , la reflexión , la pérdida por acoplamiento entre la apertura y el medio , y la absorción . La pérdida de trayectoria también se ve influenciada por la topografía del terreno, el entorno (urbano o rural, vegetación y follaje), el medio de propagación (aire seco o húmedo), la distancia entre el transmisor y el receptor, y la altura y ubicación de las antenas.

En las comunicaciones inalámbricas, la pérdida de trayectoria es la reducción de la intensidad de la señal a medida que esta viaja desde un transmisor a un receptor, y es una aplicación para verificar dicha pérdida. Existen varios factores que la afectan:

• Pérdida de propagación en el espacio libre: Esta es la pérdida fundamental que se produce debido a la dispersión de la onda de radio a medida que se propaga por el espacio. ^{[ 2 ]} Sigue una ley del inverso del cuadrado, lo que significa que la intensidad de la señal disminuye proporcionalmente al cuadrado de la distancia entre el transmisor y el receptor.
• Difracción: Cuando una onda de radio encuentra un obstáculo, puede difractarse o desviarse alrededor del borde del obstáculo. Esto puede causar una pérdida adicional de señal, especialmente en entornos urbanos con muchos edificios. ^{[ 3 ]}
• Absorción: Ciertos gases atmosféricos y obstáculos como edificios y vegetación pueden absorber las ondas de radio, reduciendo su intensidad. ^{[ 4 ]}
• Reflexión y dispersión: Las ondas de radio pueden reflejarse en superficies como edificios y el suelo, y dispersarse por objetos como árboles y farolas. Esto puede provocar propagación multitrayecto, donde el receptor recibe múltiples copias de la señal que pueden interferir entre sí. ^{[ 5 ]}

Para comprender y minimizar la pérdida de señal, existen cuatro factores clave a considerar al diseñar un sistema de comunicación inalámbrica:

1) Determinación de la potencia requerida del transmisor: El transmisor debe tener suficiente potencia para superar la pérdida de trayectoria para que la señal llegue al receptor con la fuerza suficiente.

2) Determinar el diseño y la ganancia de antena adecuados: Las antenas con mayor ganancia pueden enfocar las ondas en una dirección específica, reduciendo la pérdida de trayectoria.

3) Optimizar el esquema de modulación: La elección del esquema de modulación puede afectar la robustez de la señal frente a la pérdida de trayectoria.

4) Ajuste la sensibilidad del receptor adecuadamente: El receptor debe ser lo suficientemente sensible como para detectar señales débiles.

La pérdida de trayectoria normalmente incluye las pérdidas de propagación causadas por la expansión natural del frente de onda de radio en el espacio libre (que suele adoptar la forma de una esfera cada vez mayor), las pérdidas por absorción (a veces llamadas pérdidas por penetración), cuando la señal pasa a través de medios no transparentes a las ondas electromagnéticas , las pérdidas por difracción cuando parte del frente de onda de radio está obstruido por un obstáculo opaco y las pérdidas causadas por otros fenómenos.

La señal emitida por un transmisor puede viajar simultáneamente por múltiples trayectorias hasta un receptor; este efecto se denomina multitrayectoria . Las ondas multitrayectoria se combinan en la antena receptora, lo que da como resultado una señal recibida que puede variar considerablemente, dependiendo de la distribución de la intensidad y el tiempo de propagación relativo de las ondas, así como del ancho de banda de la señal transmitida. La potencia total de las ondas interferentes en un escenario de desvanecimiento de Rayleigh varía rápidamente en función del espacio (lo que se conoce como desvanecimiento a pequeña escala ). El desvanecimiento a pequeña escala se refiere a los cambios rápidos en la amplitud de la señal de radio en un corto período de tiempo o distancia de propagación.

En el estudio de las comunicaciones inalámbricas, la pérdida de trayectoria se puede representar mediante el exponente de pérdida de trayectoria, cuyo valor suele estar entre 2 y 4 (donde 2 corresponde a la propagación en el espacio libre , 4 a entornos con pérdidas relativamente altas y al caso de reflexión especular total de la superficie terrestre , el llamado modelo de la Tierra plana). En algunos entornos, como edificios, estadios y otros espacios interiores, el exponente de pérdida de trayectoria puede alcanzar valores entre 4 y 6. Por otro lado, un túnel puede actuar como una guía de ondas , lo que resulta en un exponente de pérdida de trayectoria menor que 2.

La pérdida de trayectoria se suele expresar en dB . En su forma más simple, la pérdida de trayectoria se puede calcular utilizando la fórmula

${\displaystyle L=10n\log _{10}(d)+C}$

dónde${\displaystyle L}$es la pérdida de trayectoria en decibelios,${\displaystyle n}$es el exponente de pérdida de trayectoria,${\displaystyle d}$es la distancia entre el transmisor y el receptor, generalmente medida en metros, y${\displaystyle C}$es una constante que tiene en cuenta las pérdidas del sistema.

Los ingenieros de radio y antenas utilizan la siguiente fórmula simplificada (derivada de la fórmula de transmisión de Friis ) para la pérdida de trayectoria de la señal entre los puntos de alimentación de dos antenas isotrópicas en el espacio libre:

Pérdida de trayectoria en dB :

${\displaystyle L=20\log _{10}\left({\frac {4\pi d}{\lambda }}\right)}$

dónde${\displaystyle L}$es la pérdida de trayectoria en decibelios,${\displaystyle \lambda }$es la longitud de onda y${\displaystyle d}$es la distancia transmisor-receptor en las mismas unidades que la longitud de onda. Tenga en cuenta que la densidad de potencia en el espacio no tiene dependencia de${\displaystyle \lambda }$; La variable${\displaystyle \lambda }$Existe en la fórmula para tener en cuenta el área de captura efectiva de la antena receptora isotrópica. ^{[ 6 ]}

El cálculo de la pérdida de trayectoria se suele denominar predicción . La predicción exacta solo es posible en casos sencillos, como la propagación en el espacio libre mencionada anteriormente o el modelo de la Tierra plana . En casos prácticos, la pérdida de trayectoria se calcula mediante diversas aproximaciones.

Los métodos estadísticos (también llamados estocásticos o empíricos ) se basan en pérdidas medidas y promediadas a lo largo de clases típicas de enlaces de radio. Entre los métodos más utilizados se encuentran Okumura-Hata , el modelo COST Hata , WCYLee , etc. Estos también se conocen como modelos de propagación de ondas de radio y se utilizan típicamente en el diseño de redes celulares y redes móviles terrestres públicas (PLMN). Para las comunicaciones inalámbricas en la banda de frecuencia muy alta (VHF) y ultra alta (UHF) (las bandas utilizadas por walkie-talkies, policía, taxis y teléfonos celulares), uno de los métodos más utilizados es el de Okumura-Hata, perfeccionado por el proyecto COST 231. Otros modelos bien conocidos son los de Walfisch-Ikegami, WCY Lee y Erceg . Para la radiodifusión FM y TV, la pérdida de trayectoria se predice comúnmente utilizando el modelo ITU descrito en la recomendación P.1546 (sucesor de P.370 ).

También se utilizan métodos deterministas basados ​​en las leyes físicas de la propagación de ondas; el trazado de rayos es uno de ellos. Se espera que estos métodos produzcan predicciones más precisas y fiables de la pérdida de trayectoria que los métodos empíricos; sin embargo, son significativamente más costosos en esfuerzo computacional y dependen de la descripción detallada y precisa de todos los objetos en el espacio de propagación, como edificios, techos, ventanas, puertas y paredes. Por estas razones, se utilizan predominantemente para trayectorias de propagación cortas. Entre los métodos más utilizados en el diseño de equipos de radio, como antenas y alimentadores, se encuentra el método de diferencias finitas en el dominio del tiempo .

La atenuación de la señal en otras bandas de frecuencia ( onda media (OM), onda corta (OC o HF), microondas (SHF)) se predice con métodos similares, aunque los algoritmos y fórmulas específicos pueden ser muy diferentes a los de VHF/UHF. La predicción fiable de la atenuación de la señal en la banda OC/HF es particularmente difícil, y su precisión es comparable a la de las predicciones meteorológicas.

Aproximaciones sencillas para calcular la pérdida de trayectoria en distancias significativamente más cortas que la distancia al horizonte de radio :

• En el espacio libre, la pérdida de trayectoria aumenta en 20  dB por década (una década se produce cuando la distancia entre el transmisor y el receptor se multiplica por diez) o en 6  dB por octava (una octava se produce cuando la distancia entre el transmisor y el receptor se duplica). Esto puede utilizarse como una aproximación de primer orden muy burda para enlaces de comunicación (de microondas).
• Para señales en la banda UHF/VHF que se propagan sobre la superficie terrestre, la atenuación aumenta aproximadamente entre 35 y 40  dB por década (10-12  dB por octava). Esto puede utilizarse en redes celulares como una primera estimación.

En las redes celulares, como UMTS y GSM , que operan en la banda UHF, la pérdida de trayectoria en áreas urbanizadas puede alcanzar los 110-140  dB para el primer kilómetro del enlace entre la estación base (BTS) y el móvil . La pérdida de trayectoria para los primeros diez kilómetros puede ser de 150-190  dB ( Nota : Estos valores son muy aproximados y se proporcionan aquí solo como ilustración del rango en el que pueden variar los valores de pérdida de trayectoria ; no son cifras definitivas ni vinculantes, ya que la pérdida de trayectoria puede ser muy diferente para la misma distancia a lo largo de dos trayectorias distintas, e incluso puede variar a lo largo de la misma trayectoria si se mide en momentos diferentes).

En el entorno de ondas de radio para servicios móviles, la antena móvil se encuentra cerca del suelo. Los modelos de propagación en línea de visión (LOS) se modifican considerablemente. La trayectoria de la señal desde la antena BTS, normalmente elevada por encima de los tejados, se refracta hacia el entorno físico local (colinas, árboles, casas), y la señal LOS rara vez llega a la antena. El entorno produce varias desviaciones de la señal directa hacia la antena, donde normalmente se suman vectorialmente entre 2 y 5 componentes de señal desviadas.

Estos procesos de refracción y deflexión provocan una pérdida de intensidad de la señal, que varía cuando la antena móvil se mueve (desvanecimiento de Rayleigh), causando variaciones instantáneas de hasta 20  dB. Por lo tanto, la red está diseñada para proporcionar una intensidad de señal superior a la de la línea de visión (LOS) de entre 8 y 25  dB, dependiendo de las características del entorno físico, y otros 10  dB para compensar el desvanecimiento debido al movimiento.

• Masa de aire (astronomía)
• Modelo de propagación de radio
• Modelo de pérdida de trayectoria de distancia logarítmica
• Modelo de reflexión terrestre de dos rayos
• Cálculo de la atenuación de las ondas de radio en la atmósfera

•  Este artículo incorpora material de dominio público de la Norma Federal 1037C . Administración de Servicios Generales . Archivado del original el 22 de enero de 2022. (en apoyo de la norma MIL-STD-188 ).

• "Métodos para la predicción de la pérdida de trayectoria" .